JP2015133773A - 電力引き渡しシステム - Google Patents

Abstract

【課題】自然エネルギーを利用するためには、それぞれの電力変換回路を設計・製造しなければならず、使用する電力量によっても回路の変更が必要であり、多大な設計・製造コストが必要となる。本発明は、共通化できる機能を備えた機器を「ユニット」化して構成し、これら複数のユニットを自在に組み合わせることで、負荷側に必要な電力を安定して引き渡すことができる電力引き渡しシステムを提供することを目的とする。
【解決手段】電力引き渡しシステムは、電力引き渡し装置、電力引き渡し装置ユニット、電力引き渡し装置ユニットの定格電流、定格電圧内で負荷側が使用したい電力形態（電圧および電流）に変換する電力変換装置、電力合成装置、電圧・電流センサ、制御装置を備え、電力引き渡し装置ユニットの負荷側への出力電流、出力電圧の拡張、変更が電力引き渡し装置ユニット内で自在に行えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力給電における所定の電圧・電流を有する電力を負荷側に引き渡す電力引き渡しシステムにかかり、特に多大なコストを要する、電力を変換し、また電力を合成する電力合成装置をユニット化して共通化し、これら組み合わせることにより、装置の安全性およびメンテナンス性を確保しつつ、いわゆる電力引き渡し装置の多様な需要に容易に対応できるようにし、かつ製造コストなどのコストを大幅に削減できる様ユニット化した電力引き渡しシステムに関するものである。

半導体技術および直流利用に関する技術は年々進歩しており、直流電力変換部材については、例えばフライバックコンバーターやチョッパー方式のコンバーターなどのように、効率が良く小型化が可能な回路が広く用いられるようになってきた。

しかし、多くの家電製品は、交流を利用する前提で製造されているため、電力変換回路のほかに、交流を直流に変換する回路をも有しているのが現状である。しかるに、直流給電にすることで、交流を直流に変換する回路を省くことができ、回路をきわめて簡略化することできる。

しかも、将来、電力供給について、効率の面からも、利用しやすさの面からも、直流利用が爆発的に広がっていくことが予想され、この場合、直流電力変換機能を有する機器をあらかじめ共通の「ユニット」として機器形成し、それらユニット化した機器を自在に組み合わせて利用することが強く要請される時代となってきたのである。

なお、必要に応じて、交流で給電したい場合には、交流での電力入力を持たせることもでき、さらに、従来の交流専用の機器を使用するためにはインバーターなどの交流変換を行う部材を脱着可能に搭載し、対応できるようにしておけば、将来、予測される直流化時代の到来にも充分対応できる機器構成となる。

ソーラーパネル、風力発電機、蓄電機あるいは商用電源など電源からの電力をいかに安定化して供給し、かつ安全性を担保して使用できるようにするかは、従来より非常に重要な課題である。

特に近年、電力会社から提供される電源のみならず、太陽光や風力などの自然エネルギーの利用の必要性が高まっており、それに伴い、特に、多様な直流電力源を使うための電力変換回路、電力合成装置を含む電力引き渡し装置の重要性がきわめて増加している。

半導体技術の進歩により、半導体素子の性能向上、低価格化が進んでいるが、それでも、主に、直流電力変換回路、直流電力合成装置に使用されるような大電力用の素子は、相応のコストがかかり、また、多様な電源に対応するための設計にも多大なコストが必要となる。そこで、電力引き渡し装置の基本部分を共通化し、それを組み合わせることで多様な電源に対応できる電力引き渡しシステムを構築し、提供できれば、大幅なコスト削減にもつながる。

特開２０１１−１８１０５５号公報

また、大電力用の電力回路の設計・製造には、多大なコストが必要とされ、自然エネルギーの普及を妨げるブレーキとなっているのが現状である。たとえば太陽光発電、風力発電、水力発電など、様々な種類の自然エネルギーを利用するためには、太陽光発電には太陽光発電用の電力変換回路が必要であり、風力発電には風力発電用の、水力発電には水力発電用の、それぞれの電力変換回路を設計・製造しなければならず、また、使用する電力量によっても回路の変更が必要であり、多大な設計・製造コストが必要となる。また、自然エネルギーの発電電力を利用する場面において、たとえば太陽光発電のための電力変換設備は、日照のある日中は有効に利用されるが、夜間は使用されず、無駄になっている。

かくして、本発明は前記従来の課題を解決するために創案されたものであって、本発明においては、共通化できる機能を備えた機器を「ユニット」化して構成し、これら複数のユニットを自在に組み合わせることで、負荷側に必要な電力を安定して引き渡すことができる電力引き渡しシステムを提供することを目的とするものである。

本発明による電力引き渡しシステムは、
電力送出装置から電力を入力する電力引き渡し装置、電力引き渡し装置より電力を入力する負荷と、を備えた電力引き渡しシステムであり、
前記電力引き渡し装置は電力引き渡し装置ユニットで構成し、
該電力引き渡し装置ユニットは、少なくとも前記電力送出装置から入力された電力を、前記電力引き渡し装置ユニットの定格電流、定格電圧内で、前記負荷側が使用したい電力形態（電圧および電流）に変換する電力変換装置と、前記電力引き渡し装置ユニットからの入力電力を負荷側へ出力すると共に、電力の逆流を防止する電力合成装置と、電力送出装置から入力された電力の電流、電圧を測定する電圧・電流センサと、前記電力変換装置、電力合成装置と、前記測定された電流、電圧値を参照して制御する制御装置とを備えてなり、
前記電力引き渡し装置ユニットの負荷側への出力電流、出力電圧の拡張、変更が前記電力引き渡し装置ユニットの定格電流、定格電圧内で自在に行える、
ことを特徴とし、
または、
電力送出装置から電力を入力する電力引き渡し装置、電力引き渡し装置より電力を入力する負荷と、を備えた電力引き渡しシステムであり、
前記電力引き渡し装置は、複数台の電力引き渡し装置ユニットで構成し、
該電力引き渡し装置ユニットは、少なくとも前記電力送出装置から入力された電力を、前記電力引き渡し装置ユニットの定格電流、定格電圧内で、前記負荷側が使用したい電力形態（電圧および電流）に変換する電力変換装置と、複数台接続された場合の前記電力引き渡し装置ユニットからの電力を合成し、負荷側へ出力すると共に、電力の逆流を防止する電力合成装置と、電力送出装置から入力された電力の電流、電圧を測定する電圧・電流センサと、前記電力変換装置、電力合成装置を、前記測定された電流、電圧値を参照して制御する制御装置とを備えてなり、
前記電力引き渡し装置ユニットを複数台接続して、負荷側への出力電流、出力電圧の拡張、変更が、前複数台接続した電力引き渡し装置ユニットの定格電流、定格電圧の合計範囲内で自在に行える、
ことを特徴とし、
または、
前記電力送出装置を複数用意し、該複数の電力送出装置と前記電力引き渡し装置との間に、接続切り替え装置を設け、該接続切り替え装置により、前記複数の電力送出装置から電力引き渡し装置への接続を切り替え可能とし、切り替えた電力送出装置からの電力を負荷側へ引き渡す、
ことを特徴とし、
または、
前記電力送出装置から大電流、高電圧の電力入力があったとき、前記電力引き渡し装置ユニットの入力組み合わせ状態を変更して対応可能とした、
ことを特徴とし、
または、
前記電力引き渡し装置を構成する電力引き渡し装置ユニットにつき、前記電力を引き渡すことが出来る複数の電力引き渡しユニットを設置し、いずれかの電力引き渡し装置ユニットに障害が発生した場合でも、電力引き渡しを途切れさせることなく前記障害の発生した電力装置ユニットを交換できる構成とした、
ことを特徴とするものである。

従来であれば、小電力の用途には小電力用の電力変換装置を使用し、大電力には大電力用の電力変換装置を使用しなければならなかったが、前述のようにユニット化により、小電力用には少数のユニットを使用し、大電力用には、同じユニットを多数接続することで、設計変更せずに、組み合わせの変更のみで小電力から大電力まで、容易に対応でき、設計および製造におけるコスト（開発費、製造費）を大幅に削減することができる。

また、直列接続、並列接続などの接続方法を利用することで、出力電圧についても、低電圧から高電圧まで、電流についても、小電流から大電流まで自在に対応することができるとともに、電源入力側についても、利用可能な電圧範囲を広げることができる。

また、ユニットが共通であることから、故障時もユニットの交換で簡単に対応できる、複数のユニット使用による冗長性（安全性）の向上、メンテナンス性の向上が可能となる。さらに、使用しない時間帯のパワーユニットの他の用途への転用を容易にし、利用効率を向上させることができるなど優れた効果を奏する。

電力引き渡し装置ユニットの構成例である。 電力引き渡し装置ユニット１台による電力送出システムの構成例である。 出力電流を拡張するための電力引き渡し装置ユニットの構成例である。 出力電圧を拡張するための電力引き渡し装置ユニットの構成例である。 高電圧入力における出力電流を拡張するための電力引き渡し装置ユニットの構成例である。 高電圧入力における出力電圧を拡張するための電力引き渡し装置ユニットの構成例である。 電力変換回路の一構成例である。 従来の電力合成の構成を示す説明図である。 電力引き渡し装置ユニット数節減の説明図である。 電力引き渡し装置ユニット節減の構成を自在に変更する例の説明図である。 電力合成装置の一構成例である。 ユニット化した電力引き渡し装置の一構成例である。 電力入力の電圧制限装置の一構成例である。 複数の電力引き渡し装置ユニットを使用して電力入力の拡張を行う場合の電圧制限部分の説明図である。 複数の電力引き渡し装置ユニットの出力電力を合成するときの電力合成装置の説明図である。 複数の電力引き渡し装置ユニットの出力電力を合成するときの電力合成装置の説明図である。 電力引き渡し装置ユニットに風力発電装置を接続する場合の説明図である。 電力引き渡し装置ユニットに水力発電装置を接続する場合の説明図である。 電力引き渡し装置ユニットに太陽光発電装置を接続する場合の説明図である。 電力引き渡し装置ユニットにバッテリーを接続する場合の説明図である。 風力発電の発電出力電圧の説明図である。 ACDC変換回路によりＡＣをＤＣに変換した場合の説明図である。

以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。

図２に本発明の電力引き渡しシステムの基本構成例を示す。
本発明の電力引き渡しシステムは、太陽光発電機、風力発電機あるいは商用電源など多様な電力送出装置１を有すると共に、該電力送出装置１から電力を入力する電力引き渡し装置２を有し、該電力引き渡し装置２より電力を入力する負荷３と、を備えて構成される。

ここで、電力引き渡し装置２は、機器の基本部分を共通化した電力引き渡し装置ユニット４として構成してある。

すなわち、該電力引き渡し装置ユニット４（図１参照）は、少なくとも、前記電力送出装置１から入力された電力を、前記電力引き渡し装置ユニット４の有する定格電流、定格電圧内で、前記負荷３側が使用したい電力形態（電圧および電流）に変換する電力変換装置５と、前記電力引き渡し装置ユニット４からの入力電力を負荷３側へ出力すると共に、電力の逆流を防止する電力合成装置６と、電力送出装置１から入力された電力の電流、電圧を測定する電圧・電流センサ７と、前記電力変換装置５、電力合成装置６につき、前記測定された電流、電圧値を参照して制御する制御装置８と、を備えて構成される。

そして、前記電力引き渡し装置ユニット４の負荷３側への出力電流、出力電圧の拡張、変更が前記電力引き渡し装置ユニット４の定格電流、定格電圧内で自在に行える様構成したものである。

よって、電力引き渡し装置２について、例えば、単体の電力引き渡し装置ユニット４で構成したとしても、負荷３側への出力電流、出力電圧の拡張、変更が、前記電力引き渡し装置ユニット４の有する定格電流、定格電圧の範囲内で自在に行えることとなる。

さらに、電力引き渡し装置２について、複数台の電力引き渡し装置ユニット４・・・で構成すると、負荷３側への出力電流、出力電圧の拡張、変更が、前複数台接続した電力引き渡し装置ユニット４・・・の有する定格電流、定格電圧の合計の範囲内で自在に行える構成となる。

ここで、電力引き渡し装置ユニット４は、図１から理解出来る様に、電力変換装置５、電力合成装置６と、電圧・電流センサ７、それらを制御する制御装置８を有して構成される。

しかして、本発明において電力引き渡し装置２を構成する電力引き渡し装置ユニット４は、直流の性質を利用して電力の合成、変換を行う構成を基本としている。

しかしながら、該電力引き渡し装置ユニット４の構成内に、ＡＣＤＣ変換回路９を使用することにより、交流の電力の場合にも対応できるようにすることも出来る。

また、外部にて電力表示を行ったり、外部から出力電圧の変更などの制御を行ったりする通信装置１０を有する構成を付加することも出来る。

ここで、前述のACDC変換回路９は、たとえばブリッジダイオードなどによる整流回路が例としてあげられる。

なお、電圧・電流センサ７は、入力された電源、すなわち電力送出装置１からの電流および電圧を測定し、これらの値を制御装置８に伝えるものである。

次に、電力変換装置５は、入力された電力を、使用したい電力形態（電圧および電流）に変換するもので、スイッチングレギュレーターなどを使用することができる（図７にフライバック方式による例を示すが、フィードフォワード方式やそのほかの方式でも構わない）。

また、負荷３に交流を必要とするものがある場合は、直流から交流への変換を行うインバーターなどを使用することもできる。なお、インバーターを使用する場合、希望の周波数、電圧のものを使用することができるが、商用電源と同期させたい場合は、制御装置８にＡＣ入力の電圧を入れて、制御装置側経由でインバーターに同期信号を入れる方法が可能である。

電力合成装置６は、電力を合成し、電力の逆流を防止するためのもので、図１１に、ダイオードを使用した例を示す。この回路において、Ｄ１は逆流防止用のダイオードであり、Ｄ２は、出力の直列接続（図４および図６）における保護用のダイオードである。なお、Ｄ１およびＤ２には、ダイオードと同様の働きをさせるように構成した半導体スイッチによる逆流防止回路などを電力合成装置６として使用することができる。

制御装置８は、前述の電力変換装置５、必要があれば、電力合成装置６を制御するものであり、ワンチップマイコンなどを使用することができる。この制御装置８により、電力変換装置５の出力電圧を、必要な電圧になるよう調整したり、入力側の電圧・電流センサ７による値を検知して、各種の電力送出装置１、すなわち電源からの入力の状態（電流と電圧）を調整したりすることができる。

通信装置１０は、前述したように、内部の状況を外部に知らせたり、外部から、動作状況を制御するための制御信号を受け取るためのもので、これにより、動作異常などの警告を通知したり、現在の動作状態、発電の電圧、電流および発電電力などを外部装置により表示したりすることができる。また、外部から、ユニットとして構成された電力引き渡し装置２の動作状態（出力電圧、出力電流などの設定）を操作するために使用することもできる。通知する動作状態および警告の項目の例を表に示す。

図１において、ＡＣ入力部１１は、商用電源や風力発電装置１７、水力発電装置１８などからの交流電力を入力するためのものであり、ＤＣ入力部１２は、太陽光発電装置１９などからの直流電力を入力するためのものである。

この様に、電力送出装置１、すなわち電源の種類により、このどちらかに電力を入力して使用する。前記したように、太陽電池パネルの如く、直流出力の電力源に接続する場合はＤＣ入力部１２を使用し、一般的な風力発電のように、交流出力の電力源は、ＡＣ入力部１１側に入力する（図１７参照）。

電圧制限回路１３は、入力電圧を制限し、過電圧から装置を保護するためのものである。図１３のように、定電圧ダイオード（一定以上の電圧になると電流が流れる素子）によって構成することができる。この場合、定電圧ダイオードの降伏電圧（ツェナー電圧）は、装置が破壊されない最大電圧に設定する。または、定電圧ダイオードと同等の働きをする回路によって代用することもできる。

なお、電力引き渡し装置ユニット４の電力入力と電力出力は絶縁されているものとし、また、電力引き渡し装置ユニット４の能力を超えて負荷３に電力が流れる場合は、出力電圧を下げる機能を持つものとしてある。

ここで、従来において、たとえ、電力引き渡し装置２をユニット化できたとしても、該ユニットにつき、入力および出力について、簡単に直列接続したり、並列接続したりすることはできないものであった。なぜなら、ユニットの特性の個体差により、電力の偏りが発生し、特定のユニットに過負荷がかかる危険性や、あるいはユニットの組み合わせ構成によっては、電源を短絡させてしまう危険性があったためである。

しかし、本発明では、電力引き渡し装置ユニット４の電力入力と電力出力が絶縁されていること、電力引き渡し装置ユニット４の能力を超えて負荷３に電力が流れる場合は、出力電圧を下げる機能を持つことにより、これらの問題を解決した。すなわち、電力引き渡し装置ユニット４に以下の特性を持たせることで、出力の合成（電圧拡張および電流拡張）、入力の拡張（電圧拡張および電流拡張）ができるよう構成したものである。

例えば、電力引き渡し装置ユニット４の電力入力と電力出力を絶縁しておく。また、電力引き渡し装置ユニット４の能力を超えて負荷３に電力が流れる場合は、出力電圧を下げる機能を持つ。さらに、入力電圧が、電力引き渡し装置ユニット４の入力可能な電圧を超えないようにするため、定電圧ダイオードなどのように入力電圧を制限する機能を持つ（図１の電圧制限回路１３、構成例は図１３）。また、電力引き渡しユニット４が故障した場合は解放モードになるようにすること（ヒューズ、ブレーカーなどの利用が可能）。さらに、入力電圧が低下した場合に、出力電圧を下げる機能を持つ（入力電圧に対するフィードバックが可能であること）などの条件である。

以上において、本発明を小電力システムで使用する場合について述べる。
電力引き渡し装置２が電力引き渡し装置ユニット４の１台で間に合う程度の電力を扱う場合には、ユニット１台のみの構成とすることができる（図２）。
例えば、電力引き渡し装置ユニット４の最大定格（扱うことのできる最大電力）が５ｋＷであるとした場合、最大３ｋＷの用途で使う場合には、ユニット１台で充分だからである。

次に、本発明を大電力システムで使用する場合について述べる。

電力引き渡し装置ユニット４が１台では賄いきれない大電力を必要とする場合は、複数の電力引き渡し装置ユニット４・・・を組み合わせることで、対応することができる。
例えば、電力引き渡し装置ユニット４の最大定格が５ｋＷであるとした場合、最大１３ｋＷ必要とする用途で使う場合には、ユニット３台あれば対応することができる。

なお、この場合、電力引き渡し装置ユニット４の出力を直列に接続する方法と、並列に接続する方法がある。

（電力引き渡し装置ユニット４の組み合わせ方法）
例えば、電力引き渡し装置ユニット４の定格が以下の値であるものとする。

最大入力 ＡＣ２4０Ｖ（ＤＣ340V）
出力電圧 ＤＣ１００Ｖ
最大出力電流 50A
最大電力 5kW
ユニット１台で対応できる出力は、ＤＣ１００Ｖ、最大５０Ａである。

（出力電流の拡張をする場合）
ここで、電力引き渡し装置ユニット４を図３のように接続すると、出力は、ＤＣ１００Ｖ、最大１５０Ａとなる。すなわち、電力引き渡し装置ユニット４の３台分の出力電流の拡張ができることになる（最大出力電力も３倍となる）。

何らかの原因（たとえば、回路の部品のばらつきなど）により、ひとつの電力引き渡し装置ユニットに過負荷がかかると、故障などの原因になりうるが、本発明においては、前述のように制御装置により、電力引き渡し装置ユニットの限界を超えて出力されないよう出力電圧をさげる機能を持つことから、特定の電力引き渡し装置ユニットに過負荷がかかることを防ぐことができる。また、出力合成回路の逆流防止の働きにより、出力電圧が下がった場合でも、その電力引き渡し装置ユニットに電力が逆流するような問題もおこらない（図１５参照）。

（出力電圧の拡張をする場合）
電力引き渡し装置ユニット４の出力を図４のように、直列に接続すると、出力は、ＤＣ３００Ｖ、最大５０Ａとなる。すなわち、電力引き渡し装置ユニット３台分の出力電圧の拡張ができることになる（最大出力電力も３倍となる）。

出力を直列に接続した場合についても、何らかの原因で、特定の電力引き渡し装置ユニットに過負荷がかかると、故障の原因になりうるが、この場合も、限界を超える場合には出力電圧が下がる機能により、過負荷になることを防ぐことができる。複数の電力引き渡し装置ユニットの出力が直列接続されている場合、流れる電流はすべて同じなので、それぞれの電力引き渡し装置ユニットの出力の電圧で出力される電力が決まる。そのため、あるユニットの出力電圧が下がると、そのユニットの出力電力も下がり、過負荷になることを防ぐことができるのである。

このように、大電流が必要な場合は電力引き渡し装置ユニット４の出力を並列に、高電圧が必要な場合は電力引き渡し装置ユニット４の出力を直列に接続することで、容易に必要な電圧・電流の電源を構成することができる。図の例では、３台の電力引き渡し装置ユニット４の直列および並列を示したが、電力引き渡し装置ユニット４の２台の場合も、あるいは３台以上の場合も同様に構成することで、電圧および電流を拡張することができる。

電圧と電流両方が必要な場合は、直並列に接続する（複数台直列に接続した電力引き渡し装置ユニット４を複数用意し、それらを並列に接続する、あるいは、複数台並列に接続した電力引き渡し装置ユニット４を複数用意し、それらを直列に接続する）ことで対応することができる。
４台の電力引き渡し装置ユニット４・・・を使って、電流と電圧を増やす例を図１６に示す。この例では、２台の電力引き渡し装置ユニット４・・・の出力を直列に接続したものをさらに並列に接続している。電流値２倍、電圧２倍となるため、最大出力電力は４倍となる。

また、電力引き渡し装置ユニット４を後から追加することで、電力を増強することができるので、設備を変更したときにも容易に対応できる。例えば、後から太陽電池パネルなど設備を増設した場合、電力引き渡し装置ユニット４も必要なだけ追加して対応すればよく、きわめて容易に設備変更が行える。

電力引き渡し装置ユニット４の出力電力側の拡張について前述したが、電力引き渡し装置ユニット４の電力入力についても同様に拡張することができるので以下に説明する。
（入力電流を拡張する場合）
図３または図４のように、電力引き渡し装置ユニット４の電力入力を並列に接続することで、大電流を供給できる電力送出装置１に対応することができる。
（入力電圧を拡張する場合）
図５または図６のように接続することで、高電圧の電力送出装置１にも対応することができる。

図１４に、３台の電力引き渡し装置ユニット４の電力入力を直列接続した場合のＤＣ入力の電圧制限回路１３の例を示す。ここで、電圧制限回路１３の制限電圧を２００Ｖとした場合、電力引き渡し装置ユニット３台分で入力６００Ｖまで対応できることになる。仮に、５７０ＶのＤＣ電源を入れた場合、ひとつの電力引き渡し装置ユニット４の入力において取りうる電圧値は、１７０〜２００Ｖの範囲となる。このように、電圧制限回路の働きにより、電力引き渡し装置ユニットの電圧が大きくなりすぎるようなことは起こらない。そのため、入力電圧の定格を超えずに使用することができる。

（最大電力点追従）
太陽電池などの出力は、電流を取りすぎると出力電圧が低下し、取り出せる電力が小さくなってしまう。一般には、入力電圧を調整することで、太陽電池から最も多くの電力を取り出せる点（最大電力点）を維持することが行われる。
本発明においても、制御装置８により電圧および電力をチェックし、出力電力を調整することで、この機能を持たせることができる。

（電力引き渡し装置ユニット数の削減）
電力引き渡し装置２を電力引き渡し装置ユニット４としてユニット化し、共通化することで、電力引き渡しシステムの利用効率を改善させることが可能である。
たとえば、ある事務所において、太陽光発電と、自家発電装置、商用電力の３種類の電力源を使用するものとし、事務所自体の電力消費は常時５ｋＷとする。
この場合、自家発電装置および商用電源からも５ｋＷ分の電力を供給できるようにしなければならない。太陽光発電でも、晴天時５ｋＷ供給できるものとすると、３種類で合計１５ｋＷ分の電力装置の設備を必要とすることになる。しかし、負荷は５ｋＷなので、実際には１０ｋＷ分が無駄な設備となってしまっていることになる（図８）。

しかし、電力引き渡し装置２のユニット化により、太陽光で十分な電力が得られる場合には太陽光発電に電力引き渡し装置ユニット４を接続し、太陽光で電力を得られなくなった場合には商用電力に、停電など商用電力で電力を得られなくなった場合には自家発電装置に電力引き渡し装置ユニットを使用すれば、理論的には５ｋＷ分の設備ですむことになる（図９）。

実際には、機器の冗長性の確保や切り替え時の電力供給を確保するため、少し多目の電力引き渡し装置ユニット４を使用する必要があるが、それでも、多大な設備コストの節約が可能である。
特に、自然エネルギーは、自然環境により大きく発電量が変化するため、電力引き渡し装置２をユニット化した設備は有効である。風力発電の場合、季節によってはほとんど発電しないが、ある時期だけ非常に強い風が吹き、大きな発電電力を得られる、という場所がある。風力の強い季節に対応できるだけの大きな電力変換設備を持つと、他の風力の弱い、ほとんど発電できない季節においては、この設備はほとんど使用されない無駄な設備となってしまう。しかし、電力引き渡し装置２のユニット化により、無風状態においては、必要のなくなった電力引き渡し装置ユニット４を他のエネルギー源の利用にまわすことで、高価な設備（電力引き渡し装置ユニット）の有効活用を図ることができる。

（電力引き渡しのシステムの冗長性の確保）
電力需要において、コストよりも対災害性・頑強性を優先しなければならない場合がある。たとえば、ネットワークサーバーなどの電源を供給したり、あるいは特別な医療用などの機器に使用する電源においては、電力は一瞬でも途切れることは許されない。このような場合においては、電力引き渡し装置2につき、電力引き渡し装置ユニット４・・・を複数使うことで対応可能である。

通常は、このような電力引き渡し装置２（電源装置）が必要な場合、該電源装置の内部に、二系統の電源回路あるいは複数の電源回路を持つ構成にして、一部が何らかの原因（事故あるいは故障など）により機能を失った場合でも、出力電力を途切れさせることなく供給できるように設計することが行われる。ただし、実際にそのような事態が発生した場合は、早急に電源自体を交換して、修理しなければならない。電力引き渡し装置２（電源装置）を交換するためには、何らかのタイミングで、完全に電気を止めなければならなくなるのである。

しかしながら、電力引き渡し装置2につき、電力引き渡し装置ユニット４・・・を使用する場合は、単純に複数の電力引き渡し装置ユニット４・・・を接続するだけでこのような事態に対応できるものとなる。

例えば、２台の電力引き渡し装置ユニット４で対応可能な負荷３に、図３のように、３台の電力引き渡し装置ユニット４を接続したとする。この状況では、電力引き渡し装置ユニット４のうちの１台が何らかの原因（事故あるいは故障など）により機能を停止したとしても、残りの２台によって途切れることなく電力を供給することが可能なのである。また、機能を停止した電力引き渡し装置ユニット４については、他の装置が動作している間に交換することが可能である。すなわち、まったく電力を途切れさせることなく、電源の障害を解決することができるのである。

具体的には、たとえば１台の出力電圧がＤＣ１００Ｖ、最大出力電流50Aだったとすると、３台の電力引き渡し装置ユニット４接続することで、ＤＣ１００Ｖ、最大出力電流１５０Ａの構成となる。ここで、出力１００Ａまでの範囲で使用する場合、１台の電力引き渡し装置ユニット４が故障などにより停止したとしても、残りの２台の電力引き渡し装置ユニット４により電力を途切れさせることなく供給しつづけることができ、無事な２台が電力を供給している間に、停止した電力引き渡し装置ユニット４を交換することができる。

このように、電力引き渡し装置２につき、電力引き渡し装置ユニット４を複数使用することで、冗長性を確保することができるのである。

（電力利用マトリクス）
今後、より多くの種類の自然エネルギーが利用されるようになり、複数の電力源、すなわち電力送出装置を有効に利用できることが必要になると予想される。電力引き渡し装置ユニット４の組み合わせ構成も状況に応じて変更が必要になることが予想される。

そこで、それらの切り替えを行うマトリクスの電力引き渡し装置ユニット４が考えられる。
マトリクスの電力引き渡し装置ユニット４の構成例を図１０に示す。
図１０に示すように、電力送出装置１・・・を複数用意し、該複数の電力送出装置１・・・と電力引き渡し装置２との間に、接続切り替え装置１４を設け、該接続切り替え装置１４により、前記複数の電力送出装置１・・・から電力引き渡し装置２への接続を切り替え可能とし、切り替えた電力送出装置１からの電力を負荷３側へ引き渡す構成としたのである。

このような構成とすることで、各電力送出装置１・・・と負荷３に対し、あらゆる接続方法が可能となる。
たとえば、電力送出装置１に商用電源と太陽光発電があった場合に、太陽光発電の電力があれば太陽光発電に接続し、太陽光発電がなくなれば商用電源に切り替えるなどのように構成できる。

そして、電力送出装置１が複数ある場合、優先したい電力に応じて接続切り替え装置１４内のスイッチを入れ、優先順位を決めることも可能であり、一方、発電電力が大きい場合には負荷３を増やすなどの利用も可能である。

図１２に、ベースボード１５（あるいはボックス）を用意し、複数の電力引き渡し装置ユニット４・・・をまとめて格納する構成を示してある。

そして、全体の電力状況を表示する、あるいはそれぞれの電圧配分を調整するよう、全体の電力引き渡し装置ユニット４の制御を行い、コントロールするユニットコントローラー１６を追加構成することができる。

以上、本発明のシステムでは、装置全体のコストダウンが図れ、ユニットとして共通化させ、単一の構造としたことによる開発費の削減、量産効果による生産コストの削減が図れ、もって、保守管理が容易となり、故障時は交換のみで対応可能であり、統一規格により保守点検も容易である。
さらに、必要に応じた容量への柔軟な対応ができ、並列接続による容量増強、直列接続による電圧増強が行え、共通仕様による操作性の向上が顕著である。
また、多様な電力送出装置への対応ができ、太陽光発電、風力発電、など、異なる特性の電力送出装置についても、内蔵した制御装置の処理方法（プログラム）変更により対応可能である。

さらにユニット数・ユニット種別は電力送出装置の種別と容量によって決定し、ユニットの入力、出力を共通とすることで扱いが容易に行えるのである。

（電力送出装置の使用例）
電力引き渡し装置ユニット４に接続される電力送出装置１としては、風力発電装置１７、水力発電装置１８、太陽光発電装置１９（ソーラーパネル）、バッテリー２０のように、外部のエネルギーを電気に変換して電力を供給できるもの、あるいは内部に持つエネルギーを電力として供給できるもの、を使用することができる。

ここでは、風力発電装置１７、水力発電装置１８、太陽光発電装置１９（ソーラーパネル）、バッテリー２０を使用した場合の利用法、機能について説明する。

（風力発電装置）
図１７に、電力引き渡し装置ユニット４に風力発電装置１７を接続した例を示す。
風力発電装置１７は一般的に、交流出力であるため、ＡＣＤＣ変換回路９側に接続される。図２１に、風力発電による出力電圧の波形の例を示す。ＡＣＤＣ変換回路９にブリッジダイオードを使用した場合、回転数に対応して、ＡＣＤＣ変換の出力（すなわち、電流および電圧）も変化する（図２２）。この変化は、電流／電圧センサによって検出することができる。図２２に示すように、１周期の時間をｔとすると、１秒間の回転数は１／ｔで表すことができる。したがって、制御装置８により、１周期の時間を測定することで、回転数を算出することが可能である。これは、制御装置８により、通信装置１０経由で外部の表示装置２１に回転数を表示させたり、暴風などにより、回転数が危険な値にまで達したときに、音や光による警報を出すことに利用することができる。

（水力発電装置）
水力発電装置１８も風力発電装置１７と同様、一般的に交流出力の発電機が使用されているため、風力発電と同様の構成で利用することができる。例を図１８に示す。水力発電の場合も、風力発電と同様、発電機の回転数を検出することが可能であり、制御装置８により、通信装置１０経由で外部の表示装置２１に回転数を表示させたり、回転数が危険な値にまで達したときに、音や光による警報を出すことに利用することができる。

（太陽光発電装置）
図１９に、太陽光発電を利用する場合の例を示す。太陽光発電装置１９は直流出力なので、ＡＣＤＣ変換回路９側ではなく、電圧制限回路１３側に接続する。
太陽光発電では、日照量によって発電量が決まるので、発電量から日照量に換算することが可能である。これも制御装置８によって、通信装置１０経由で外部の表示装置２１に表示することが可能である。

（バッテリー）
バッテリー２０を使用する場合の例を図２０に示す。バッテリー２０は、電源として使用することもできるが、充電時には負荷として使用することもできる。図２０のように接続することで、負荷および電源として利用することができる。余剰電力を利用する場合は、充電装置２２側のスイッチをＯＮにし、電圧制限回路１３側のスイッチをＯＦＦにする。電源として使用する場合は、充電装置２２側のスイッチをＯＦＦにし、電圧制限回路１３側のスイッチをＯＮにする。
スイッチに、リレーや半導体スイッチのような、外部から制御できるスイッチを使うことで、制御装置８から充電動作をさせるのか電源として利用するのかを選択できるようにすることができる。
例えば、発電量に対し、負荷が少ない場合は余剰電力をバッテリー充電に使用し、逆の場合はバッテリー２０を電源として使用することが可能である。

１ 電力送出装置
２ 電力引き渡し装置
３ 負荷
４ 電力引き渡し装置ユニット
５ 電力変換装置
６ 電力合成装置
７ 電圧・電流センサ
８ 制御装置
９ ＡＣＤＣ変換装置
１０ 通信装置
１１ ＡＣ入力部
１２ ＤＣ入力部
１３ 電圧制限回路
１４ 接続切り替え装置
１５ ベースボード
１６ ユニットコントローラー
１７ 風力発電装置
１８ 水力発電装置
１９ 太陽光発電装置
２０ バッテリー
２１ 表示装置
２２ 充電装置

Claims (10)

1. 電力送出装置から電力を入力する電力引き渡し装置、電力引き渡し装置より電力を入力する負荷と、を備えた電力引き渡しシステムであり、
   前記電力引き渡し装置は電力引き渡し装置ユニットで構成し、
   該電力引き渡し装置ユニットは、少なくとも前記電力送出装置から入力された電力を、前記電力引き渡し装置ユニットの定格電流、定格電圧内で、前記負荷側が使用したい電力形態（電圧および電流）に変換する電力変換装置と、前記電力引き渡し装置ユニットからの入力電力を負荷側へ出力すると共に、電力の逆流を防止する電力合成装置と、電力送出装置から入力された電力の電流、電圧を測定する電圧・電流センサと、前記電力変換装置、電力合成装置と、前記測定された電流、電圧値を参照して制御する制御装置とを備えてなり、
   前記電力引き渡し装置ユニットの負荷側への出力電流、出力電圧の拡張、変更が前記電力引き渡し装置ユニットの定格電流、定格電圧内で自在に行える、
   ことを特徴とした電力引き渡しシステム。
   
2. 電力送出装置から電力を入力する電力引き渡し装置、電力引き渡し装置より電力を入力する負荷と、を備えた電力引き渡しシステムであり、
   前記電力引き渡し装置は、複数台の電力引き渡し装置ユニットで構成し、
   該電力引き渡し装置ユニットは、少なくとも前記電力送出装置から入力された電力を、前記電力引き渡し装置ユニットの定格電流、定格電圧内で、前記負荷側が使用したい電力形態（電圧および電流）に変換する電力変換装置と、複数台接続された場合の前記電力引き渡し装置ユニットからの電力を合成し、負荷側へ出力すると共に、電力の逆流を防止する電力合成装置と、電力送出装置から入力された電力の電流、電圧を測定する電圧・電流センサと、前記電力変換装置、電力合成装置を、前記測定された電流、電圧値を参照して制御する制御装置とを備えてなり、
   前記電力引き渡し装置ユニットを複数台接続して、負荷側への出力電流、出力電圧の拡張、変更が、前複数台接続した電力引き渡し装置ユニットの定格電流、定格電圧の合計範囲内で自在に行える、
   ことを特徴とした電力引き渡しシステム。
   
3. 前記電力送出装置を複数用意し、該複数の電力送出装置と前記電力引き渡し装置との間に、接続切り替え装置を設け、該接続切り替え装置により、前記複数の電力送出装置から電力引き渡し装置への接続を切り替え可能とし、切り替えた電力送出装置からの電力を負荷側へ引き渡す、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力引き渡しシステム。
   
4. 前記電力送出装置から大電流、高電圧の電力入力があったとき、前記電力引き渡し装置ユニットの入力組み合わせ状態を変更して対応可能とした、
   ことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の電力引き渡しシステム。
   
5. 前記電力引き渡し装置を構成する電力引き渡し装置ユニットにつき、前記電力を引き渡すことが出来る複数の電力引き渡しユニットを設置し、いずれかの電力引き渡し装置ユニットに障害が発生した場合でも、電力引き渡しを途切れさせることなく前記障害の発生した電力装置ユニットを交換できる構成とした、
   ことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の電力引き渡しシステム。
   
6. 前記電力引き渡し装置を構成する電力引き渡し装置ユニットにつき、通信ユニット経由で、動作状況、すなわち、入力電圧、入力電流、入力電力、本体温度、出力電圧、出力電流、出力電力などを通知し、外部装置または内蔵の表示機により表示する機能、および、警報情報、すなわち入力電圧異常、入力電流異常、動作異常、温度異常、過負荷のように本体および入出力における異常を通知し、音または光または画面表示で内部または装置外において警報を行うことのできる
   ことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の電力引き渡しシステム。
   
7. 前記電力引き渡し装置を構成する電力引き渡し装置ユニットにつき、風力発電装置を接続し、通信ユニット経由で、風力発電装置の回転数を表示し、回転数が一定値以上の場合には警報信号を出力する
   ことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の電力引き渡しシステム。
   
8. 前記電力引き渡し装置を構成する電力引き渡し装置ユニットにつき、水力発電装置を接続し、通信ユニット経由で、水力発電装置の回転数を表示し、回転数が一定値以上の場合には警報信号を出力する
   ことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の電力引き渡しシステム。
   
9. 前記電力引き渡し装置を構成する電力引き渡し装置ユニットにつき、太陽光発電装置を接続し、通信ユニット経由で、日照量を表示することができる
   ことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の電力引き渡しシステム。
   
10. 前記電力引き渡し装置を構成する電力引き渡し装置ユニットにつき、スイッチおよびバッテリー、バッテリー充電器を接続し、余剰電力を充電し、また、充電された電力を利用することができる
    ことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の電力引き渡しシステム。

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